Wie Solarpaneele funktionieren. Solarpaneele werden bereits zur Stromversorgung einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, von Mobilgeräten bis hin zu Elektroautos. Vor über 40 Jahren erstmals zur Energieversorgung von Raumstationen verwendet, sind Solarpaneele heute als Quelle sauberer, kostenloser Energie fest im Alltag etabliert. Die Sonne hat seit jeher Milliarden Kilowatt an Strahlungsenergie zur Erde gesendet und wird dies auch in den kommenden Millionen von Jahren tun.
Eine dieser Energiequellen sind Solarpaneele, die aus Sonnenenergie alternative Energie erzeugen. Sie sind relativ neu, erfreuen sich aber in Europa aufgrund ihrer hohen Effizienz und der vergleichsweise geringen Kosten bereits großer Beliebtheit. Solarpaneele sind eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle, die Lichtstrahlen speichern und in Energie und Strom umwandeln kann. Auch in der Ukraine gewinnt diese neue Energiequelle zunehmend an Bedeutung.
Wie Solarmodule funktionieren. Funktionsprinzip von Solarzellen.
Solarzellen basieren auf dem Prinzip eines Konstantstrom-Photogenerators, der die Energie von Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Genauer gesagt nutzen Solarzellen die Eigenschaften von Halbleitern auf Siliziumbasis. Wenn Lichtquanten auf einen Halbleiter-Wafer treffen, lösen sie Elektronen aus der äußeren Elektronenschale des Siliziumatoms. Dadurch entstehen genügend freie Elektronen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Ein oder zwei Siliziumelemente reichen jedoch nicht aus, um die für Haushaltsanwendungen erforderliche Spannung und Leistung zu liefern.
Daher werden sie zu Solarmodulen zusammengefügt, die parallel oder in Reihe geschaltet sind. Die Fläche solcher Module kann von wenigen Quadratzentimetern bis zu mehreren Quadratmetern variieren. Durch die Erhöhung der Modulanzahl lässt sich eine höhere Leistung erzielen.
Die Leistung eines Solarmoduls hängt jedoch nicht nur von der Fläche, sondern auch von der Intensität des Sonnenlichts und dem Einfallswinkel der Strahlen ab. Folglich hängt die Leistung der Solaranlage vom Standort des Hauses (Gebiet und geografische Breite), vom Wetter, der Jahreszeit und der Tageszeit ab. Damit die Solaranlage funktioniert und Energie ins Netz einspeist, müssen außerdem verschiedene elektrische Geräte installiert werden.
Dazu gehören insbesondere:
- Ein Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt;
- Eine wiederaufladbare Batterie, die Energie speichert und Spannungsschwankungen aufgrund wechselnder Lichtverhältnisse ausgleicht;
- Ein Laderegler, der die Batterie vor Überladung und Tiefentladung schützt.
All dies zusammen ergibt ein autarkes Stromversorgungssystem auf Basis von Solarmodulen.
Wie funktionieren Solarzellen? Was ist das Prinzip dieser alternativen Energiequelle?
Photovoltaikzellen bestehen aus Siliziumscheiben. Silizium ist in seiner chemischen Zusammensetzung sehr ähnlich wie reines Silizium. Diese Besonderheit ermöglichte es, die Kosten für Solarzellen zu senken und sie bereits in Serienfertigung herzustellen.
Silizium muss kristallin sein, da es ein Halbleiter ist. Einkristalle sind zwar einfacher herzustellen, besitzen aber weniger Facetten, wodurch sich die Elektronen nicht geradlinig bewegen können.
Die Zugabe von Phosphor oder Arsen erhöht die elektrische Leitfähigkeit. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Silizium ist seine Undurchlässigkeit für Infrarotstrahlung. Dank dieses Elements absorbieren die Konverterblöcke nur die nutzbaren Teile des Sonnenspektrums.
Funktionsablauf eines Solarmoduls. Wie funktionieren Solarzellen?
- Die Sonnenenergie trifft auf die Platten.
- Die Platten erhitzen sich und geben Elektronen ab.
- Die Elektronen bewegen sich aktiv entlang der Leiter.
- Die Leiter laden die Batterien auf.
Das Design und Funktionsprinzip einer Stromquelle lässt sich einfach beschreiben.
Sie besteht aus nur zwei Teilen: dem Hauptkörper und den Wandlereinheiten. Das Gehäuse ist meist aus Kunststoff gefertigt und sieht aus wie eine gewöhnliche Fliese, an der die Wandlereinheiten befestigt sind.
Der Wandlerblock besteht aus einem Siliziumwafer. Dieser kann polykristallin oder monokristallin hergestellt werden. Die polykristalline Methode ist die kostengünstigste, die monokristalline gilt als die effizienteste. Alle weiteren Bauteile (z. B. Regler und Wechselrichter) sowie Mikroschaltungen dienen lediglich der Leistungssteigerung und Funktionserweiterung der Stromquelle. Auch ohne sie funktioniert das Solarmodul.
Es gibt zwei Arten der Schaltung: Reihen- und Parallelschaltung. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Parallelschaltung den Strom und die Reihenschaltung die Spannung erhöht. Sollen zwei Parameter gleichzeitig optimiert werden, kommt eine Parallel-Seriell-Schaltung zum Einsatz.
Es ist jedoch zu beachten, dass hohe Lasten zum Durchbrennen einzelner Kontakte führen können. Dioden verhindern dies. Eine Diode kann ein Viertel der Fotozelle schützen. Fehlen sie, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die gesamte Energiequelle nach dem ersten Regen oder Sturm ausfällt.
Wie jedes technische Gerät hat auch ein Solarmodul seine spezifischen Leistungs- und technischen Daten, die sich je nach Modell und Hersteller nur geringfügig unterscheiden. Bei einer Modulfläche von ca. 0,2 m² beträgt die Modulleistung ca. 10 W. Die Spannung bei maximaler Last liegt bei ca. 25 V. Der Kurzschlussstrom beträgt ca. 500 µA. Das Modul wiegt ca. 2 kg. Der typische Wirkungsgrad eines Solarmoduls liegt zwischen 14 und 18 %. Die Lebensdauer eines solchen Moduls beträgt mindestens 25 Jahre.